2020高考備考物理重難點原子結構和原子核附答案解析版

1、重難點10原子結構和原子核【知識梳理】一、氫原子光譜、氫原子的能級、能級公式1.原子的核式結構(1)電子的發(fā)現：英國物理學家湯姆孫發(fā)現了電子。(2) “粒子散射實驗：19091911年，英國物理學家盧瑟福和他的助手進行了用“粒子轟擊金箔的實驗，實驗發(fā)現絕大多數 “粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，但有少數“粒子發(fā)生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于 90。，也就是說它們幾乎被 撞”了回來。(3)原子的核式結構模型：在原子中心有一個很小的核，原子全部的正電荷和幾乎全部質量都集中在核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉。2.光譜(1)光譜用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的波長(頻率)和強度分

2、布的記錄，即光譜。(2)光譜分類有些光譜是一條條的亮線，這樣的光譜叫做線狀譜。有的光譜是連在一起的光帶，這樣的光譜叫做連續(xù)譜。(3)氫原子光譜的實驗規(guī)律11 1巴耳末線系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式一kR5不，(n= 3,4,5,)，R是里德伯常量，R= 1.10107 m 1, n為量子數。.玻爾理論(1)定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然 繞核運動，但并不向外輻射能量。(2)躍遷：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定，即hkEm-Eno (h是普朗克常量，h=6.63 1

3、0 34 Js)(3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。.氫原子的能級、能級公式(1)氫原子的能級能級圖如圖所示(2)氫原子的能級和軌道半徑1氫原子的能級公式： En=n2Ei (n= 1,2,3,)，其中Ei為基態(tài)能量，其數值為 Ei=13.6 eV。 氫原子的半徑公式：rn= n2ri (n = 1,2,3,)，其中ri為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數值為 ri = 0.53 M0 i0 m。二、原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期、放射性同位素.原子核的組成：原子核是由質子和中子組成的，原子核的電荷數等

4、于核內的質子數。.天然放射現象(i)天然放射現象元素自發(fā)地放出射線的現象，首先由貝克勒爾發(fā)現。天然放射現象的發(fā)現，說明原子核具有復雜的 結構。(2)放射性和放射性元素物質發(fā)射某種看不見的射線的性質叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是“射線、3射線、丫射線。(4)放射性同位素的應用與防護放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類，放射性同位素的化學性質相同。應用：消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。防護：防止放射性對人體組織的傷害。.原子核的衰變(i)衰變：原子核放出 a粒子或3粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2

5、)分類a 衰變：AX- A 1 2Y + 4He3 衰變：AXf z?iY+0e(3)半衰期：放射性元素的原子核有半數發(fā)生衰變所需的時間。半衰期由原子核內部的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態(tài)無關。三、核力、結合能、質量虧損.核力(1)定義：原子核內部，核子間所特有的相互作用力。特點：核力是強相互作用的一種表現；核力是短程力，作用范圍在1.5X015m之內；每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。.結合能核子結合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結合能，亦稱核能。.比結合能(1)定義：原子核的結合能與核子數之比，稱做比結合能，也叫平均結合能。特點：不同原子核的比

6、結合能不同，原子核的比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。.質能方程、質量虧損愛因斯坦質能方程 E=mc2,原子核的質量必然比組成它的核子的質量和要小淅，這就是質量虧損。由質量虧損可求出釋放的核能AE= Amc2o四、裂變反應和聚變反應、裂變反應堆核反應方程1.重核裂變(1)定義：質量數較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數較小的原子核的過程。(2)典型的裂變反應方程：235u + 0nKr+14Ba+30no(3)鏈式反應：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程。(4)臨界體積和臨界質量：裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積及其相應的質量。(5)裂

7、變的應用：原子彈、核反應堆。(6)反應堆構造：核燃料、減速劑、鎘棒、防護層。2.輕核聚變(1)定義：兩輕核結合成質量較大的核的反應過程。輕核聚變反應必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應。(2)典型的聚變反應方程：汨+4 2He + 0n+ 17.6 MeV【限時檢測】(建議用時： 30分鐘)1. (2019新課標全國I卷)氫原子能級示意圖如圖所示。光子能量在1.63 eV3.10 eV的光為可見光。要使處于基態(tài)(n=1)的氫原子被激發(fā)后可輻射出可見光光子，最少應給氫原子提供的能量 為n氏% TOC o 1-5 h z V. 01 41 S5工151 -34小113.641A . 12.09 eV

8、 B. 10.20 eV C. 1.89 eV D, 1.5l eV【答案】A【解析】由題意可知，基態(tài)(n=1)氫原子被激發(fā)后，至少被激發(fā)到n=3能級后，躍遷才可能產生能量在1.63eV3.10eV的可見光。故E 1.51 (13.60)eV 12.09eV。故本題選Ao(2019新課標全國n卷)太陽內部核反應的主要模式之一是質子一質子循環(huán)，循環(huán)的結果可表示為 41H ；He+20e+2v,已知；H 和；He 的質量分別為 m，1.0078u 和 m 4.0026u , 1u=931MeV/c2, c 為光速。在4個1H轉變成1個；He的過程中，釋放的能量約為A. 8 MeV B. 16 Me

9、V C. 26 MeV D. 52 MeV【答案】C【解析】由 E mC2知E 4 mpm2me c2, m -E c一一. 一 6 .一 一 19 .3110 kg ,忽略電子質量，則:931 10_1.66 10J 1.7 10 27kg ? 0.99 10E 4 1.0078u 4.0026u c2 26MeV ,故 C 選項符合題意;3.（2019天津卷）如圖為a、b、c三種光在同一光電效應裝置中測得的光電流和電壓的關系。由 a、b、c組成的復色光通過三棱鏡時，下述光路圖中正確的是hv【解析】由光電效應的萬程 Ek hv W,動能定理eU Ek,兩式聯立可得U e截止電壓越大說明光的頻

10、率越大，則有三種光的頻率vb vc va ,則可知三種光的折射率的關系為nb nc na,因此光穿過三棱鏡時 b光偏折最大，c光次之，a光最小，故選C, ABD錯誤。4.（2019天津卷）我國核聚變反應研究大科學裝置人造太陽” 201孫獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到 1億度，為人類開發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術基礎。下列關于聚變的說法正確的是A.核聚變比核裂變更為安全、清潔B.任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變C.兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前增加D.兩個輕核結合成質量較大的核，核子的比結合能增加【答案】AD【解析】核聚變的最終產物時氨氣無污染，而核裂變會產生固體核廢料，

11、因此核聚變更加清潔和安全，A正確；發(fā)生核聚變需要在高溫高壓下進行，大核不能發(fā)生核聚變，故 B錯誤；核聚變反 應會放出大量的能量， 根據質能關系可知反應會發(fā)生質量虧損， 故C錯誤；因聚變反應放出能量，因此反應前的比結合能小于反應后的比結合能，故D正確。.下列說法正確的是A .某種金屬能否發(fā)生光電效應取決于照射光的強度B.盧瑟福通過“粒子轟擊氮核實驗，證實了在原子核內部存在中子C.一個2；U原子核衰變?yōu)橐粋€ 普Pb原子核的過程中，發(fā)生 8次衰變D.大量處于基態(tài)的氫原子在單色光的照射下，發(fā)出多種頻率的光子，其中一種必與入射光頻率相同【答案】D【解析】某種金屬能否發(fā)生光電效應取決于照射光的頻率，選項

12、A錯誤；盧瑟福通過 a粒子轟 擊氮核實驗，證實了在原子核內部存在質子，而查彳韋克通過實驗證實中子，故 B錯誤；由質量 數與質子數守恒，一個238U原子核衰變?yōu)橐粋€206 Pb原子核的過程中，發(fā)生 8次a衰變，發(fā)生6 次3衰變，故C錯誤；處于基態(tài)的氫原子在某單色光束照射下，先吸收能量向高能級躍遷，然后再從高能級向低能級躍遷， 其中從吸收光子后的最高的能級向基態(tài)躍遷時發(fā)出的光子的能量與吸 收的光子的能量是相等的。故 D正確；故選D.下列說法正確的是A.用同一頻率的光照射不同的金屬表面時均有光電子逸出，從金屬表面逸出的光電子的最大初動能Ek越大，則這種金屬的逸出功 W越小10種頻率的光子137c13

13、755 Cs 56 Ba+X ,一個氫原子處在 n=5的能級，當它躍遷到較低能級時，最多可發(fā)出Csl37是核泄漏時對人體產生有害輻射的重要污染物，其核反應方程式為其中的X為質子D.每個核子只與鄰近核子產生核力作用，比結合能越大的原子核越穩(wěn)定【答案】AD【解析】A .據光電效應方程Ekm hW可知，用同種頻率的光照射不同的金屬表面，從金屬表面逸出的光電子的最大初動能越大，則這種金屬的逸出功越小，故選項A正確；B. 一個氫原子處在n=5的能級，由較高能級躍遷到較低能級時，最多可以發(fā)出54、4-3、3-2和2一1四種頻率的光，故選項B錯誤；C.核泄漏污染物 Cs137能夠產生對人體有害的輻射 .其核

14、反應方程 式為155cs 156Ba+X ,由此可以判斷X質量數為零，電荷數為-1,則為負電子，故選項 C錯 誤；D,原子核內每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用，且比結合能越大的原子核，原子核越 穩(wěn)定，故選項 D正確；故選 AD。.如圖所示為氫原子的能級示意圖，一群氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài)，在向較低能級躍遷的過程中向外輻射能量。下列說法正確的是nHrV TOC o 1-5 h z H 。4。息、3-J.40IA.這群氫原子能發(fā)出三種頻率不同的光B.從n=3能級躍遷到n=1能級發(fā)出的光最容易發(fā)生衍射現象C.從n=3能級躍遷到n=1能級發(fā)出的光子動量最大D.從n=3能級躍遷到n=1能級發(fā)出的光照射

15、逸出功為 2.49eV的金屬鈉，產生的光電子初動能 一定為 9.60eV【答案】AC【解析】一群處于激發(fā)態(tài)的氫原子在向低能級躍遷時，放出C；種光子頻率，頻率最大的光子，波長最短；結合發(fā)生明顯衍射的條件分析；根據光電效應方程求出光電子的最大初動能，要理解發(fā)生光電效應時產生的光電子的初動能不一定都是最大。因為c233 ,所以這群氫原子能發(fā)出三種頻率不同的光,A正確；這群氫原子能發(fā)出三種頻率不同的光，其中從n=3躍遷到n=1所發(fā)出的光子頻率最高，根據 c ,知頻率最高的光子，波長最短，最不容易發(fā)生衍射現象，B錯誤；從n=3躍遷到n=1所發(fā)出的光子頻率最高，根據：_ h P其動量也最大，C正確；氫原子

16、躍遷時產生的最大光子能量E h 13.6 1.51 eV 12.09 eV ,根據光電效應方程知，產生的光電子最大初動能為EKm hW0 12.09 2.49 eV 9.60 eV ,但不一定都是 9.60eV, D 錯誤。.關于原子和原子核，下列說法中正確的是A ,粒子散射實驗揭示了原子核內部的復雜性B.根據玻爾理論可知，一個氫原子核外電子從 n=4能級向低能級躍遷最多可輻射3種頻率的光子234234 、C.已知90 Th的半盤期是24d, 48g的90 Th經過72d后暴變了 42gD.氫原子由低能級向高能級躍遷時，吸收光子的能量可以稍大于兩能級間能量差【答案】BC【解析】A. “粒子散射

17、實驗中沒有涉及原子核內部問題，是提出了原子核式結構模型的實驗基礎，故A錯誤；B. 一個氫原子核外電子從 n= 4能級向低能級躍遷最多只能輻射n1=3種頻722341率的光子，故B正確；C.經過72 =3個半盤期后，48g的2014Th還剩下48X-)3g=6g,衰變 242了 48g 6g= 42g,故C正確；D,氫原子由低能級向高能級躍遷時，吸收光子的能量等于兩能級間能量差，故D錯誤。.氨3與笊的核聚變發(fā)電不產生溫室氣體，不產生放射性物質，是一種十分清潔、安全和環(huán)保的能源，開發(fā)月壤中蘊藏豐富的氨3資源，對人類社會今后的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。該核反2432.4應可表本為2He+ 1H - 3

18、L1 +X(X 表布某種粒子),右2He、1H和3L1、X的質重分別為 m1、m2、m3、m4,則下列選項正確的是A .該反應釋放的核能 AE=(m+m 2 m 3m 4)c24B. 3He的核子比結合能小于3口的比結合能C.高速的X粒子具有很強的穿透能力，可以用來工業(yè)探傷D.核聚變的實現為人類尋找到突破能量守恒定律的可能【答案】AB【解析】A .根據質能方程可知該反應放出的核能為= (mi+m2-m3-m4)c2,故A正確；B.反4.應過程放出能量，說明后面的能量低，更穩(wěn)定，而比結合能越大，越穩(wěn)定，說明；3口的比結3合能大于2 He的核子比結合能，故 B正確；C.根據質量數和電荷數守恒可知X

19、的質量數為1,電荷 數為0,所以X為中子，不是丫射線，不可以用來工業(yè)探傷，故 C錯誤；D.能量守恒定 律是自然 界遵守的規(guī)律，無法突破，故D錯誤。10.現有兩動能均為 Eo= 0.35 MeV的2H在一條直線上相向運動，兩個2H發(fā)生對撞后能發(fā)生核反應，得到；He和新粒子，且在核反應過程中釋放的能量完全轉化為；He和新粒子的動能.已知的2H質量為2.014 1 u, 3He的質量為3.016 0 u,新粒子的質量為1.008 7 u,核反應時質量虧損1 u釋放的核能約為931 MeV(如果涉及計算，結果保留整數 )。則下列說法正確的是 2231 .A.核反應方程為1H+1H2He+HB.核反應前后滿足能量守恒定律C.新粒子的動能約為 3 MeVD. ；He的動能約為4 MeV【答案】BC【解析】A.由核反應過程中的質量數和電荷數守恒可知2H+2H2He+0n ,則新粒子為中子10n ,所以A錯誤；B.核反應過程中質量虧損，釋放能量，但仍然滿足能量守恒定律，B正確；CD.由題意可知E